JPH05190828A

JPH05190828A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH05190828A
Application number: JP4003329A
Authority: JP
Inventors: Toru Watanabe; 徹渡辺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-01-10
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1993-07-30

Abstract

(57)【要約】【構成】ＣＣＤ２０が半導体基板１の第１の面Ａの側に
形成され、ホトダイオード１０が半導体基板１の第２の
面Ｂの側に形成された固体撮像素子。ＣＣＤ２０が形成
されている側の半導体基板１上に設けられた支持用基板
７は、固体撮像素子の強度を高めている。【効果】固体撮像素子を小型化し、又は画素を高密度化
しても、１個のホトダイオード１０が光電変換を行い蓄
積し得る信号電荷の量が充分に確保できる。このため、
感度の高い固体撮像素子が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子に関し、特
に、小型化及び高集積化に適した高感度の固体撮像素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４（ａ）は、従来の２次元固体撮像素
子の断面の一部を示している。

【０００３】この固体撮像素子は、第１の面Ａ及び第２
の面Ｂを有するｐ型シリコン基板４１と、ｐ型シリコン
基板４１の第１の面Ａ側に形成されたｎ^-不純物拡散領
域４２及び４８とを有している。ｐ型シリコン基板４１
とｎ^-不純物拡散領域４８とにより、ｐｎ^-型のホトダイ
オード５０が形成されている。ホトダイオード５０の表
面付近には、ｐ⁺型表面不純物拡散領域４９が形成され
ている。また、複数のｎ^-不純物拡散領域４２によりＣ
ＣＤ６０が形成されている。各ＣＣＤ６０は、ｐ⁺型不
純物拡散領域により分離されている。ｐ型シリコン基板
４１の上面Ａはゲート絶縁膜４４により覆われている。
ゲート絶縁膜４４上にはＣＣＤ６０を覆う複数の電極４
５が設けられている。このように、従来の２次元固体撮
像素子は、ｐ型シリコン基板４１のＣＣＤ６０が形成さ
れている側（第１の面Ａ側）にマトリクス状に配された
複数のホトダイオード５０を有している。

【０００４】ｐ型シリコン基板４１の第１の面Ａを照射
した光により、ホトダイオード５０で電荷（信号電荷）
が生じる。このとき（時刻Ｔ＝ｔ₁）、図４（ｂ）に示
されるように、電荷がホトダイオード５０に蓄積され
る。この電荷は、所定期間、ホトダイオード５０に蓄積
されたあと、電極４５の電位変化を応じて、各々のホト
ダイオード５０に対応するＣＣＤ６０に流入する。この
とき（時刻Ｔ＝ｔ₂）、図４（ｃ）に示されるようにし
て、電極４５の電位変化に応じて生じるポテンシャル分
布の変化に従って、電荷がホトダイオード５０からＣＣ
Ｄ６０へ転送される。

【０００５】図４（ｄ）は、電荷がＣＣＤ６０へ転送さ
れた直後（時刻Ｔ＝ｔ₃）の、ポテンシャル分布を示し
ている。電荷は、その後、電極４５の電位変化に応じ
て、ＣＣＤ中で（図４（ａ）の図面垂直方向に）転送さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術においては、固体撮像素子を小型化し、又は画
素を高密度化するに従い、単位画素あたりの面積が減少
し、開口率が減少する。このため、１個のホトダイオー
ド５０が光電変換を行い蓄積し得る信号電荷の量が減少
し、固体撮像素子の感度が低下するという問題がある。
この問題を解決するため、各ホトダイオード５０に対し
てレンズを用いた集光を行うことにより、ホトダイオー
ド５０で発生する信号電荷の量を増加させる技術が提案
されている。また、ホトダイオード５０の受光面積を拡
大する目的で、固体撮像素子を積層化することが提案さ
れている。

【０００７】しかし、これらの技術も、開口率が低いと
いう問題を充分には解決しておらず、製造工程が複雑化
するという欠点を有している。

【０００８】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、固体撮像素
子を小型化し、又は画素を高密度化しても、１個のホト
ダイオードが光電変換を行い蓄積し得る信号電荷の量が
充分に確保できる、感度の高い固体撮像素子を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、第１面と該第１面に対向する第２面とを有する半導
体基板と、該半導体基板に於いて該第２面側に形成さ
れ、該第２面を照射する光を電気信号に変換する光電変
換手段と、該半導体基板に於いて該第１面側に形成さ
れ、該電気信号を該第１面に沿って転送する電気信号転
送手段と、該電気信号を該光電変換手段から該電気信号
転送手段へ転送する手段と、を備えており、そのことに
より上記目的を達成することがてきる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明を実施例について説明する。

【００１１】図１は、本発明の実施例の断面の一部を示
している。本実施例は、ｐ型シリコン基板（導電率：３
０Ωｃｍ、厚さ：６００μｍ）１と、ｐ型シリコン基板
１中に形成された光電変換手段と、ｐ型シリコン基板１
中に形成された電気信号転送手段とを有する固体撮像素
子である。本実施例の光電変換手段はホトダイオード１
０であり、電気信号転送手段はＣＣＤ（電荷転送素子）
２０である。従来の固体撮像素子と本実施例との構造上
の主要な相違点は、ホトダイオード１０とＣＣＤ２０と
が、各々、ｐ型シリコン基板１の対向する２面（第１の
面Ａと第２の面Ｂ）に形成されていることである。

【００１２】ＣＣＤ２０は、ｐ型シリコン基板１の第１
の面Ａの側に形成されている。このＣＣＤ２０の構造自
体は、従来のＣＣＤ６０（図４（ａ））の構造と同様で
ある。すなわち、ＣＣＤ２０は、第１のｎ^-型不純物拡
散領域（厚さ：０．４μｍ、不純物濃度：１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）２により形成され、それぞれ、ｐ⁺型不純物拡散
領域（厚さ：０．５μｍ、不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ
^-3）３により分離されている。

【００１３】ＣＣＤ２０が形成されているｐ型シリコン
基板１の第１の面Ａは、ゲート絶縁膜（膜厚：８０ｎ
ｍ）４により覆われている。ゲート絶縁膜４上に複数の
電極（膜厚：５００ｎｍ）５が設けられている。

【００１４】ｐ型シリコン基板１の第２の面Ｂの側に
は、ｐ⁺型表面不純物拡散領域（厚さ：０．２μｍ、不
純物濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3）９が形成され、所定位置
に複数のｎ^-型不純物拡散領域８が形成されている。ｐ
型シリコン基板１と第２のｎ^-型不純物拡散領域（厚
さ：０．８μｍ、不純物濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3）８と
により、ホトダイオード１０が構成されている。

【００１５】このように本実施例では、ホトダイオード
１０とＣＣＤ２０とが、それぞれ、ｐ型シリコン基板１
の対向する２面に形成されているため、ホトダイオード
１０の受光面積を縮小することなく、固体撮像素子の小
型化及び高集積化が達成される。

【００１６】次に、図３を参照しながら、本実施例の動
作を説明する。動作中に、各電極５には、図５に示され
た波形を有する駆動電圧が位相をずらして繰り返し印加
される。

【００１７】まず、ｐ型シリコン基板１の第２の面Ｂの
図３（ａ）に示される部分を照射した光の強さに応じ
て、ホトダイオード１０で電荷（信号電荷）が生じる。
このとき（時刻Ｔ＝ｔ₁、電極電位＝Ｖ_I）、図３（ｂ）
に示されるように、電荷はホトダイオード１０に蓄積さ
れる。

【００１８】電荷は、所定期間、ホトダイオード１０に
蓄積されたあと、電極５の電位変化（電極電位Ｖ_I→電
極電位Ｖ_H）に応じて、ホトダイオード１０に対向する
ＣＣＤ２０へ、ｐ型シリコン基板１の内部を介して、流
入する。すなわち、このとき（時刻Ｔ＝ｔ₂、電極電位
＝Ｖ_H）、図３（ｃ）に示されるように、電極５の電位
変化に応じて生じるポテンシャル分布の変化に従って、
電荷がホトダイオード１０からＣＣＤ２０へ転送され
る。

【００１９】図３（ｄ）は、電荷がＣＣＤ２０へ転送さ
れた直後（時刻Ｔ＝ｔ₃、電極電位＝Ｖ_I）のポテンシャ
ル分布を示している。電荷は、その後、電極５の電位変
化（電位Ｖ_Iと電位Ｖ_Lとが交互に電極に印加される）に
応じて、ＣＣＤ２０中で（図３（ａ）の図面垂直方向
に）転送される。

【００２０】次に、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しなが
ら、本実施例を製造する方法を説明する。

【００２１】まず、ｐ型シリコン基板１の第１の面Ａか
らｐ型シリコン基板１の内部に延びる複数の第１のｎ^-
型不純物拡散領域４８を、ｐ型シリコン基板１中に形成
することにより、ＣＣＤ２０を形成する。また、ｐ型シ
リコン基板１の第１の面からｐ型シリコン基板１の内部
に延びるｐ⁺型不純物拡散領域３を、ｐ型シリコン基板
中の各ＣＣＤ間に形成することにより、画素分離領域を
形成する。これら不純物拡散領域の選択的な形成は、公
知のドーピング技術、例えばイオン注入法を用いて行わ
れる。

【００２２】この後、図２（ａ）に示されるように、ゲ
ート絶縁膜４、ゲート電極５及び保護膜（膜厚：１μ
ｍ）６を、ｐ型シリコン基板１の第１の面Ａ上に、順次
形成する。保護膜６としては、通常、ＢＰＳＧ膜を用い
る。

【００２３】次に、図２（ｂ）に示されるように、ｐ型
シリコン基板１の強度を維持するために、ｐ型シリコン
基板１と支持用基板７とを、保護膜６を介して貼り合わ
せる。支持用基板７としては、シリコンプロセスへの適
合性という観点から、シリコン基板を用いることが好ま
しい。

【００２４】この後、ｐ型シリコン基板１の第２の面Ｂ
の側をポリッシング加工などの技術を用いて削り取り、
ｐ型シリコン基板１の厚さを約２μｍ程度の厚さにまで
薄くする。このｐ型シリコン基板１の厚さは、ＣＣＤ２
０とホトダイオード１０との距離を均一にするという理
由から、２±０．０５μｍ程度の範囲にあることが好ま
しい。

【００２５】この後、ｐ型シリコン基板１の第２の面Ｂ
からｐ型シリコン基板１の内部に延びる複数の第２のｎ
^-型不純物拡散領域８を、ｐ型シリコン基板１中に形成
することにより、マトリクス状に配されたｎ^-ｐ型のホ
トダイオード１０を形成する。

【００２６】次に、ｐ型シリコン基板１に於いて、第２
の面Ｂの近傍領域に、ｐ⁺型表面不純物拡散領域９を形
成する。このｐ⁺型表面不純物拡散領域９は、ｐ型シリ
コン基板１の第２の面Ｂの側の表面電位を固定し、図３
（ｂ）から（ｄ）に示されるポテンシャル分布を得るた
めに用いられる。

【００２７】このように、本実施例では、ｐ型シリコン
基板１の両面にそれぞれ、ホトダイオード１０とＣＣＤ
２０とが別々に形成されているため、ホトダイオード１
０の面積を充分に大きくすることができる。具体的に
は、１画素が１２．８×１０．０μｍ²のサイズを有す
る１／２インチ系実効２５万画素の固体撮像素子に於い
て、従来のホトダイオードは、上記１画素の３０％の領
域を占めていた。本実施例の固体撮像素子のホトダイオ
ードは、上記１画素の９０％に相当するサイズにまで拡
大することができる。こうして、本実施例の開口率は、
従来例の開口率の約３倍に向上される。

【００２８】このように、本実施例によれば、固体撮像
素子を小型化し画素を高密度化しても、１個のホトダイ
オードの面積を充分大きく維持できるので感度が向上す
る。また、ＣＣＤの幅を増加することができるので、転
送される信号電荷の量が増加する、このため、固体撮像
素子のダイナミックレンジが向上する。

【００２９】なお、上記実施例では、ｐ型シリコン基板
１のＣＣＤ２０が形成されている側に支持用基板７が設
けられているが、支持用基板７として透明基板を用いる
ときは、その支持用基板７は、ホトダイオード１０が形
成されている側に設けられてもよい。

【００３０】本実施例の電気信号転送手段は電気信号と
して電荷を転送するＣＣＤであったが、他の電気信号転
送手段を用いてもよい。また、本発明の固体撮像素子
は、不純物の導電型について、上記実施例の導電型を反
転させた構成を有していてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、固体撮像素子を小型化
し、又は画素を高密度化しても、１個のホトダイオード
が光電変換を行い蓄積し得る信号電荷の量が充分に確保
できる。このため、感度の高い固体撮像素子が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示される本発明の
実施例を製造する工程を示す断面図である。

【図３】（ａ）は、図１に示される本発明の実施例の一
部を示す断面図、（ｂ）は、電荷がホトダイオードに蓄
積されているときのｐ型シリコン基板表面のポテンシャ
ルの分布を示す図、（ｃ）は、電荷がＣＣＤへ転送され
るときのポテンシャル分布を示す図、（ｄ）は、電荷が
ＣＣＤへ転送された直後のポテンシャル分布を示す図で
ある。

【図４】（ａ）は、従来の固体撮像素子の一部を示す断
面図、（ｂ）は、電荷がホトダイオードに蓄積されてい
るときのｐ型シリコン基板表面のポテンシャルの分布を
示す図、（ｃ）は、電荷がＣＣＤへ転送されるときのポ
テンシャル分布を示す図、（ｄ）は、電荷がＣＣＤへ転
送された直後のポテンシャル分布を示す図である。

【図５】ＣＣＤを駆動し、信号電荷を転送するために固
体撮像素子の電極に印加される電圧波形を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ｐ型シリコン基板２第１のｎ^-型不純物拡散領域３ｐ⁺型不純物拡散領域４ゲート絶縁膜５電極６保護膜７支持用基板８第２のｎ^-型不純物拡散領域９ｐ⁺型表面不純物拡散領域１０ホトダイオード２０ＣＣＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面と該第１面に対向する第２面とを有
する半導体基板と、該半導体基板に於いて該第２面側に形成され、該第２面
を照射する光を電気信号に変換する光電変換手段と、該半導体基板に於いて該第１面側に形成され、該電気信
号を該第１面に沿って転送する電気信号転送手段と、該電気信号を該光電変換手段から該電気信号転送手段へ
転送する手段と、を備えた固体撮像素子。